[发明专利]PVD真空镀层设备

说明书

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的真空镀层设备。本发明还涉及一种根据权利要求23的前序部分的用于同时给多个平面状的基材镀上硬质材料层的方法。

已有的PVD真空镀层设备具有用于刀具的基材保持机构，其特别是对于旋转对称的工件来说，例如对于具有不同尺寸的带柄刀具来说是最佳的。将以列支敦士登的OC Oerlikon Balzer股份公司的生产系统为例加以介绍，如在EP 1 186 681 A1中记载了RCS类型的设备，且在EP 0 886 880 B1中详细说明了BAI 1200类型的设备。这些生产系统中使用的通常旋转的转位式刀片保持机构在图1a和1b中示出。在这里，转位式刀片7例如可以固定在滚筒状的磁性的工件载体40上，或者设置在工件容纳机构27的杆棒上，并与间隔件39交替布置。

PVD设备公知用于给小部件镀层，在PVD设备中，小部件作为散状物料在格栅滚筒中旋转并进而运动，同时被安装在滚筒外部或内部的作为镀层源的阴极镀层。例如在EP 0 632 846中提及的这种方法具有缺点，即这些小部件由于滚筒运动而相互撞击，或者撞在滚筒上，因而特别是就硬质金属部件而言，会刮伤表面并伤及锐利的边，如切削边。用于切削刀具如转位式刀片的CVD镀层设备已公知许久。由WO 99/27155 A1的图4a已知这种设备的典型例子，其中转位式刀片布置在格栅中，并在一个或多个平面上镀层。在这里，用于由气相沉积出所希望的材料的化学过程要么可以仅采用热技术来激励，要么如在本文献中所述还通过布置在基材和电极之间的等离子体如脉冲式等离子体来激励。

由申请CH 00518/05和CH 1289/05已知，为了使得火花电流产生脉冲，要么在电弧蒸镀源上同时施加直流电流和脉冲电流，要么在两个直流供电的电弧蒸镀源上施加一个单独的脉冲式的电流。采用这种方式能使得多个电弧源工作，甚至还能连续稳定地工作，如果这些电弧源在含有大量氧气的环境中或者在纯氧气环境中工作，且在该过程中这些电弧源的表面带有绝缘层。这样就能在PVD批次生产设备中制得绝缘的、特别是还氧化的层。

用于给刀具和部件镀层的工业PVD设备在当今通常并不如下设计：它们仅能针对基材形状和大小来优化。其原因在于，在这些层系统中，出于利润率原因，必须给多个大小和形状差别很大的基材镀层，且现有技术中常见的PVD层厚范围仅能大约在4μm至6μm的范围内，或者尚不能制得厚度更大的层，因为此时会产生高的内应力。现在，为了能给通常具有复杂的三维结构的多个工件同时设有厚度多若干微米(μm)的层系统，通常要以基材多重旋转为前提。然而这又使得这种方法仅能达到仅有少数几个μm/h的很小的生长速度，因而PVD设备在当今具有很大的镀层腔室，以便实现经济的运行。

在基材大小和形状方面都一致的这种设备的缺点是，要将基材装载到保持机构和设备中以及卸载基材。对基材的一致性要求使得先根据设备然后根据基材来适配调整基材保持机构，因而很难自动地装载和卸载基材。

由于一致性要求还产生了其它一些明显的缺点。PVD生产系统中的基材紧密封装和由此需要的旋转持续地周期性地使得PVD源材料流向基材中断，而所输送的反映气体则连续地作用到层上。根据一些方案，在PVD镀层系统的中间可以安装有附加的PVD源，以减小所述问题。尽管问题实际上略微减小，但并未有效解决，因为尚不能在时间上保持材料流足以恒定，至少在要求装载密度大同时生产率高的情况下如此。从PVD源至基材的材料流变动会导致子多层的层结构，即导致层的结构或组成随着层厚而变化。这例如有利于在层中引入张力，但也有缺点，如果必须制得很厚的层。这种子多层结构特别是取决于基材保持机构的几何尺寸。在当前的现有技术中，缺点很明显，且由于镀层速度太小，特别是对于厚的氧化层来说，利用PVD批次设备进行镀层并不经济。

当前PVD镀层技术的另一个很重要的缺点是刀具上的层厚分布。下面以转位式刀片为例(在图2中示意性地示出)对此予以详细介绍，但最好也适用于所有切削刀具，这些切削刀具在不同的平面上具有切削面，且基本上呈二维的几何形状。在用于两重或三重旋转的转位式刀片保持机构情况下，花费合理的代价却例如几乎无法在切削表面和前面上产生相同厚度的层，更谈不上实现预先给定的层厚分布。为此，在旋转工作时在批次设备中的自由度受到很大限制，而花费合理的代价既不能通过经济的基材旋转，也不能通过PVD源的运动来满足这种要求。